Электротехника Ч1

201

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

14. 1. Назовите общие функциональные узлы электромеханических измерительных приборов.

14.2.Приведите упрощенную схему магнитоэлектрического измерительного механизма. Какое физическое явление используется в механизме для создания вращающего момента.

14.3.Приведите выражения для определения вращающего момента магнитоэлектрического измерительного механизма в цепях постоянного и переменного тока. Определите область применения измерительного механизма.

14.4.В чем заключаются достоинства магнитоэлектрических измерительных механизмов и чем обусловлены их недостатки?

14.5.Приведите схемы омметров, построенных на основе применения магнитоэлектрических измерительных механизмов. Почему класс точности омметров существенно ниже класса точности магнитоэлектрических амперметров?

14.6.Приведите упрощенную схему электродинамического измерительного механизма. Какое физическое явление положено в основу создания вращающего момента в механизме.

14.7.Почему электродинамические измерительные механизмы можно применять как для измерения постоянного, так и переменного тока?

14.8.В чем заключается отличие ферродинамических измерительных механизмов от электродинамических?

14.9.Почему ферродинамические измерительные механизмы уступают электродинамическим механизмам в точности и ширине частотного диапазона?

14.10.Назовите основные недостатки электродинамических измерительных меха-

низмов.

14.11.Приведите схему включения электродинамического механизма для измерения мощности высокоомной нагрузки. Чем обусловлены погрешности измерения? Приведите выражения для их оценки.

14.12.Приведите схему включения электродинамического механизма для измерения мощности низкоомной нагрузки. Чем обусловлены погрешности измерения? Приведите выражения для их оценки.

202

14.13.Приведите упрощенную схему электромагнитного измерительного механизма. Какое физическое явление положено в основу создания вращающего момента в механизме.

14.14.Назовите достоинства электромагнитных измерительных механизмов. Какими причинами и физическими явлениями обусловлены их недостатки?

14.15.Приведите упрощенную схему электростатического измерительного механизма. Какое физическое явление положено в основу создания вращающего момента в механизме.

14.16.Назовите достоинства электростатических измерительных механизмов. Какими причинами обусловлены их недостатки?

203

ТЕМА 4

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ.

ЛЕКЦИЯ 15. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ,

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ.

Электроприводом называется электромеханическая система, пред-

назначенная для электрификации и автоматизации рабочих процессов.

Электропривод это электромеханическая система, состоящая из преобразующего, электродвигательного, передаточного и управляющего устройств (рис. 15.1).

Преобразующее устройство (ПрУ) осуществляет переход от одной физической величины к другой или изменяет масштаб физической величины (напряжения, тока или частоты). Оно может быть выполнено в виде магнитного усилителя, в виде магнитного усилителя с выпрямлением или в виде управляемого выпрямителя на тиристорах и т. д.

В электродвигательном устройстве (ЭДУ) происходит преобразова-

ние электрической энергии в механическую.

Передаточное устройство (ПУ) служит для изменения скорости до значения, необходимого рабочему механизму (РМ). Оно может быть управляемым и неуправляемым. Неуправляемое ПУ выполняется в виде редуктора. Управляемое ПУ представляет собой коробку передач с электромагнитными муфтами, изменяющими ее передаточное число.

Управляющее устройство (УУ) регулирует работу всех блоков элек-

204

тропривода: мощность на валу рабочего механизма, значение и частоту напряжения, передаточное число коробки передач, направление вращения электродвигателя, изменяет схему включения электродвигателя и т.д.

На практике электропривод бывает автоматизированный и неавто- матизированный. В автоматизированном электроприводе человек создает только начальное управляющее воздействие (пуск электропривода). В неавтоматизированном – человек периодически управляет работой электропривода.

Электроприводы делят на три группы: групповые, одиночные, много-

двигательные.

Вгрупповых электроприводах электродвигатель с помощью механической передачи (трансмиссии) приводит в действие несколько рабочих механизмов.

Водиночных электроприводах механизм приводится в действие индивидуальным электродвигателем. При этом все элементы рабочего механизма соединяются с приводным двигателем соответствующими передачами.

Вмногодвигательных электроприводах каждый орган рабочего механизма снабжен своим двигателем. Так, например, на расточном станке вращение фрезы производится с помощью одного двигателя, продольное перемещение детали – другого, поперечное перемещение – третьего.

205

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Электрические машины классифицируются по четырем признакам:

–по назначению,

–по роду тока,

–по мощности,

–в зависимости от частоты вращения.

Схема классификации приведена на рис. 15.2. Кратко рассмотрим особенности электрических машин, в зависимости от их принадлежности к признаку классификации.

По назначению электрические машины разделяют на электромашинные генераторы, электродвигатели, электромашинные преобразователи, компенсаторы, усилители и электромеханические преобразователи сигналов.

Электромашинные генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Их применяют на электрических станциях и в различных транспортных средствах. В ряде случаев генераторы используют в качестве источников питания в установках связи, измерительной техники, в системах автоматики.

Электрические двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую. Электрические двигатели приводят во вращение различные машины, механизмы и устройства. В современных системах автоматического управления их используют в качестве исполнительных, регулирующих и программирующих органов.

Электромашинные преобразователи преобразуют переменный ток в постоянный и наоборот. Они изменяют величину напряжения переменного и постоянного тока, частоту, число фаз и др. параметры.

Электромашинные компенсаторы осуществляют генерирование реак-

207

рующих органов.

По роду тока электрические машины делят на машины переменного и постоянного тока.

Машины переменного тока, в зависимости от особенностей электромагнитной системы, подразделяют на асинхронные, синхронные и коллекторные. К ним относятся также трансформаторы, у которых процесс преобразования энергии во многом подобен электрическим машинам.

Асинхронные машины используют в качестве электрических двигателей трехфазного тока. Простота устройства и высокая надежность позволяют применять их в различных отраслях техники. В системах автоматического регулирования используют одно и двухфазные асинхронные двигатели, асинхронные тахогенераторы, преобразующие механическое вращение в электрический сигнал, а также сельсины, осуществляющие синхронный поворот или вращение нескольких, не связанных друг с другом механических осей.

Синхронные машины применяют в качестве генераторов переменного тока промышленной частоты на электрических станциях, а также в качестве генераторов повышенной частоты в автономных источниках питания (на кораблях, самолетах и т. п.). В качестве электродвигателей синхронные машины применяют в электрических приводах большой мощности. Синхронные машины малой мощности широко применяют в устройствах автоматики.

Коллекторные машины переменного тока применяют сравнительно редко и главным образом в качестве электродвигателей. Коллекторные машины имеют асинхронное вращение ротора относительно поля, но ввиду наличия у них коллектора они выделяются в отдельный вид. Они имеют сложную конструкцию и требуют тщательного ухода, поэтому используются сравнительно редко, в основном в устройствах автоматики и электробытовых приборах.

Машины постоянного тока применяют в качестве генераторов и элек-

208

тродвигателей в устройствах электропривода, требующих регулирования частоты вращения в широких пределах. В системах автоматического регулирования машины постоянного тока используются в качестве электромашинных усилителей, исполнительных двигателей и тахогенераторов.

По мощности электрические машины условно разделяют на микромашины (мощностью от долей ватта до 500 ватт), машины малой (от 0,5 до 10 кВт), средней (от 10 до нескольких сотен киловатт) и большой (свыше нескольких сотен киловатт) мощности.

В зависимости от частоты вращения машины условно разделяют на тихоходные (до 300 об/мин), средней быстроходности (300 ÷ 1500 об/мин), быстроходные (1500 ÷ 6000 об/мин) и сверхбыстроходные (свыше 6000

об/мин).

3. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Электрические машины обратимы. Это значит, что одна и та же машина может работать и как генератор, и как двигатель. Поэтому можно говорить об устройстве машин, не рассматривая отдельно устройство генератора или двигателя. Однако на практике машины двойного назначения используются редко. Это так называемые стартер-генераторы (машины постоянного тока), которые устанавливаются на некоторых подвижных объектах. В рамках лекции свойством обратимости воспользуемся для анализа физических процессов в электрических машинах, подчеркнуто не увязывая этот анализ с их назначением.

3.1. Э.Д.С. в рабочих обмотках электрических машин.

Электрические машины состоят из двух частей. Одна часть неподвижная и называется статором. Другая часть – подвижная и называется рото- ром. Статор и ротор выполняются из ферромагнитного материала и образу-

209

ют магнитопровод с необходимым воздушным зазором.

На статоре и роторе размещают две обмотки. Одна из них служит для создания рабочего магнитного поля машины и называется обмоткой возбу- ждения. В другой обмотке индуцируется Э.Д.С. и создается рабочий ток. Эта обмотка называется рабочей.

Работа всех электрических машин основана на электромеханическом взаимодействии магнитного поля и проводника с током. Ток возникает под воздействием Э.Д.С. рабочей обмотки. Рассмотрим принцип формирования Э.Д.С. на примере синхронной машины переменного тока (рис. 15.3, а) и машины постоянного тока (рис. 15.3, б).

В синхронной машине обмотка возбуждения 1 размещена на роторе. Она состоит из четырех катушек. Ток в катушках поддерживается внешним источником Э.Д.С. и создает четырехполюсное магнитное поле. На статоре размещены катушки рабочей обмотки 2.

На рис. 15.3, б дан поперечный разрез машины постоянного тока. Здесь обмотка возбуждения находится на статоре, а катушка рабочей обмотки – на роторе.

Таким образом, в машине переменного тока магнитное поле возбуждения вращается относительно рабочей обмотки, а в машине постоянного тока рабочая обмотка вращается в неподвижном магнитном поле возбуждения.

210

Воздушный зазор машины δ обычно на несколько порядков меньше ее осевой длины l. Поэтому магнитное поле вдоль оси машины можно считать однородным. Части катушки длиной l, находящиеся в рабочем магнитном поле машины, называют активными. Боковые части катушек у торцов магнитопровода называют лобовыми.

На внутренней поверхности статора образуются полюсы чередующейся полярности (участки, на которых магнитные силовые линии входят в поверхность или выходят из нее). Ширина этих участков обозначается τ и на-

зывается полюсным делением.

Исходя из того, что магнитные линии в зазоре перпендикулярны поверхности статора и ротора, а активные части проводников статора длиной l

перпендикулярны вектору магнитной индукции B , можем записать

ется по синусоидальному закону, то и е будет изменяться по синусоидальному закону. Тогда ее действующее значение

где Вδr – действующее значение магнитной индукции в зазоре.

Для расчета Э.Д.С. в рабочей обмотке машин переменного тока удобнее использовать другое известное выражение:

dψ ek = − dt ,

где ек – Э.Д.С. в замкнутом контуре, ψ = ∫ B dS – потокосцепление в конту-

S

ре, S – поверхность интегрирования.

В машинах переменного тока распределение магнитной индукции